Magnesium - het lichtste van alle structurele metalen - heeft veel te bieden in de zoektocht om steeds lichtere auto's en vrachtwagens te maken die verder gaan op een tank brandstof of batterijlading.

Magnesium is 75 procent lichter dan staal, 33 procent lichter dan aluminium en is het vierde meest voorkomende element op aarde na ijzer, silicium en zuurstof. Maar ondanks zijn lichte gewicht en natuurlijke overvloed, autofabrikanten zijn gedwarsboomd in hun pogingen om magnesiumlegeringen op te nemen in structurele auto-onderdelen. Om de nodige sterkte te verschaffen, was de toevoeging van kostbare, tongverdraaiende zeldzame elementen zoals dysprosium, praseodymium en ytterbium - tot nu toe.

Een nieuw proces ontwikkeld in het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, zou het voor de auto-industrie haalbaarder moeten maken om magnesiumlegeringen in structurele componenten op te nemen. De methode heeft het potentieel om de kosten te verlagen door de noodzaak voor zeldzame aardelementen te elimineren, terwijl tegelijkertijd de structurele eigenschappen van het materiaal worden verbeterd. Het is een nieuwe draai aan extrusie, waarbij het metaal door een gereedschap wordt geperst om een ​​bepaalde vorm te creëren, een soort deeg dat door een pastamaker wordt geduwd, resulteert in verschillende vormen.

eerste onderzoek, onlangs beschreven in Materiaalkunde en techniek A , en magnesiumtechnologie, ontdekte dat het door PNNL ontwikkelde proces de energieabsorptie van magnesium aanzienlijk verbetert door nieuwe microstructuren te creëren die niet mogelijk zijn met traditionele extrusiemethoden. Het verbetert ook een eigenschap die ductiliteit wordt genoemd - dat is hoe ver het metaal kan worden uitgerekt voordat het breekt. Deze verbeteringen maken magnesium gemakkelijker om mee te werken en meer kans om te worden gebruikt in structurele auto-onderdelen. Momenteel, magnesiumcomponenten zijn goed voor slechts ongeveer 1 procent, of 33 pond, van het gewicht van een typische auto volgens een DOE-rapport.

"Vandaag, veel autofabrikanten gebruiken geen magnesium op structurele locaties vanwege de twee P's; prijs en eigenschappen, " zei hoofdonderzoeker en werktuigbouwkundig ingenieur Scott Whalen. "Op dit moment, fabrikanten kiezen voor goedkoop aluminium in onderdelen zoals bumperbalken en breekpunten. Met behulp van ons proces, we hebben de mechanische eigenschappen van magnesium verbeterd tot het punt waarop het nu kan worden overwogen in plaats van aluminium voor deze toepassingen - zonder de extra kosten van zeldzame aardelementen."

Een nieuwe draai aan dingen

Onderzoekers theoretiseerden dat het spinnen van de magnesiumlegering tijdens het extrusieproces net genoeg warmte zou creëren om het materiaal zacht te maken, zodat het gemakkelijk door een matrijs zou kunnen worden gedrukt om buizen te maken. staven en kanalen. Warmte gegenereerd door mechanische wrijving die het metaal vervormt, levert alle warmte die nodig is voor het proces, het elimineren van de behoefte aan energieverslindende weerstandsverwarmers die worden gebruikt in traditionele extrusiepersen.

De vorm van dingen die komen

Het PNNL-team ontwierp en bestelde een industriële versie van hun idee en ontving een unieke, op maat gemaakte Shear Assisted Processing and Extrusion-machine - het acroniem voor ShAPE™.

ermee, ze hebben met succes zeer dunwandige ronde buizen geëxtrudeerd, tot twee inch in diameter, uit magnesium-aluminium-zinklegeringen AZ91 en ZK60A, het verbeteren van hun mechanische eigenschappen in het proces. Bijvoorbeeld, ductiliteit bij kamertemperatuur boven 25 procent is onafhankelijk gemeten, wat een grote verbetering is in vergelijking met typische extrusies.

"In het ShAPE™-proces, we krijgen zeer verfijnde microstructuren in het metaal en, in sommige gevallen, zijn zelfs in staat om nanogestructureerde kenmerken te vormen, "zei Whalen. "Hoe hoger de rotaties per minuut, hoe kleiner de korrels worden, waardoor de buis sterker en taaier of buigzamer wordt. Aanvullend, we kunnen de oriëntatie van de kristallijne structuren in het metaal regelen om de energieabsorptie van magnesium te verbeteren, zodat het gelijk is aan die van aluminium."

De duw om energie te besparen

De knuppels of brokken van bulkmagnesiumlegeringen stromen door de matrijs in een zeer zachte staat, dankzij de gelijktijdige lineaire en roterende krachten van de ShAPE™-machine. Dit betekent dat er slechts een tiende van de kracht nodig is om het materiaal door een matrijs te duwen in vergelijking met conventionele extrusie.

Deze aanzienlijke krachtvermindering zou aanzienlijk kleinere productiemachines mogelijk maken, waardoor de kapitaaluitgaven en bedrijfskosten voor de industrie worden verlaagd die dit proces waarvoor octrooi is aangevraagd, toepassen. De kracht is zo laag, dat de hoeveelheid elektriciteit die wordt gebruikt om een ​​buis met een diameter van 2,5 cm te maken ongeveer hetzelfde is als het kost om een ​​huishoudelijke keukenoven slechts 60 seconden te laten draaien.

Er wordt energie bespaard omdat de warmte die wordt gegenereerd op het grensvlak van de knuppel/matrijs de enige proceswarmte is die nodig is om het magnesium te verzachten. "We hebben geen gigantische verwarmingstoestellen nodig die de magnesiumblokken omringen, zoals industriële extrusiemachines, zei Walen. "We verwarmen - alleen met wrijving - precies op de plaats die er toe doet."

Magna-Cosma, een wereldwijde leverancier van onderdelen voor de auto-industrie, werkt samen met PNNL aan dit door DOE gefinancierde onderzoeksproject om goedkope magnesiumonderdelen te bevorderen en, naarmate grotere buizen worden ontwikkeld, zal ze testen in een van hun productiefaciliteiten in de buurt van Detroit.

De ShAPE™-technologie van PNNL is beschikbaar voor licentieverlening en zou kunnen helpen een deuk te maken in het magnesiumdoel van de auto-industrie, en slanke auto's die momenteel gemiddeld 3 wegen, 360 pond.